基于冷冻过程的复合脱盐实验研究

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随着经济的快速发展和人口的增加,淡水资源短缺已成为中国沿海地区进一步发展的瓶颈之一,近年来我国大力发展海水淡化事业,在2016年提出了在―十三五‖末全国海水淡化总规模超220万吨/日的目标。海水淡化的主流方法是热法和膜法,冷冻法受冷源条件和脱盐率低的制约,未能得到广泛的工业应用。我国是液化天然气(Liquefied natural gas,LNG)第二大进口国,在未来一段时期内海边的LNG接收站仍将处于发展期。LNG气化过程中所释放的冷能为解决基于冷冻法的海水淡化工艺冷源成本高的问题提供了可能,开展基于冷冻过程的高脱盐率复合脱盐工艺研究具有理论价值和实际意义。本文在基于冷冻过程的复合脱盐工艺方面开展了三部分实验研究工作。第一部分工作是利用“基于LNG冷能的海水冷冻实验装置”产冰,研究了冷冻-微波-离心复合脱盐(Freezing,microwaving and centrifugal desalination,FMCD)以及冷冻-微波-重力-离心复合脱盐(Freezing,microwaving,gravity-induced and centrifugal desalination,FMGCD)工艺的脱盐效果,并将产品水的水质与主要工业与民用水水质标准进行了对比。第二部分工作是利用冰箱制冰,将海水降温作为浸泡液,将冰破碎后开展了冷冻-浸泡-离心复合脱盐(Freezing,soaking and centrifugal desalination,FSCD)工艺实验,研究了离心机转速、离心时间和浸泡时间对FSCD工艺脱盐效果的影响。并结合重力脱盐,在夏季环境温度下利用降温后的海水作为浸泡液,进行了冷冻-浸泡-重力-离心复合脱盐(Freezing,soaking,gravity-induced and centrifugal desalination,FSGCD)工艺实验,研究了重力融化时间对FSGCD工艺脱盐效果的影响。第三部分工作探究了在脱盐工艺中应用,超声波技术对重力脱盐和浸泡脱盐的影响,进行了冷冻-超声波辅助重力复合脱盐(Freezing,ultrasonic aided and gravity-induced desalination,FUGD)实验、冷冻-超声波辅助浸泡复合脱盐(Freezing,ultrasonic aided and soaking desalination,FUSD)实验和冷冻-超声波辅助浸泡-离心复合脱盐(Freezing,ultrasonic aided-soaking and centrifugal desalination,FUSCD)工艺实验,与未开启超声波的冷冻-重力复合脱盐(Freezing,gravity-induced desalination,FGD)实验、冷冻-浸泡脱盐(Freezing,soaking desalination,FSD)和FSCD工艺实验进行了对比,研究了脱盐效果。实验研究主要得到了如下结论:1)由于应用了微波处理,FMCD和FMGCD的脱盐过程所需时间与FGCD工艺相比大大缩短。经过2min微波处理的FMGCD工艺的脱盐效果与FGCD工艺相似,甚至更好,并且当融化率大于29%或37%时,以总溶解性固体(Total dissolved solid,TDS)和Cl~-浓度为参考指标,FMGCD工艺产品冰的水质可以满足《石油化工给水排水质标准》中碳素钢设备或不锈钢设备的要求。当融化率大于54%,产品冰的水质可以满足地表水和生活饮用水的要求。2)对于FSCD工艺,在一定的转速范围内,通过提高离心机转速可提高脱盐效果。而不改变转速的条件下,延长离心时间对脱盐效果影响有限。延长浸泡时间可以提高脱盐效果,但浸泡5min后脱盐效果增加不显著。在FSGCD工艺中,延长重力时间可以有效地提高脱盐率,经过1min的浸泡可以快速得到较高的脱盐率,最终脱盐率略低于FGCD工艺但可以减少实验耗时。3)超声波所引发的机械振动可以加快脱盐进程,在浸泡过程中施加超声波可以在短时间内获得较高的脱盐效果。在相同产水率条件下FUSCD工艺的脱盐脱盐效果优于FSCD工艺。
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